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SMT QFN 元器件接地失效不良分析改善案例

发布时间: 2024-10-12 07:08:02
来源: SMT工程师之家
一、摘要：
随着电子产品的多功能小体积发展趋势，电子元件、材料也随之变革，芯片的封装技术 也得到了历史性的发展。传统的 SOIC&TSOP 封装也在向着 QFN（Quad Flat No-lead Package,方形扁平无引脚封装）迈进，QFN 技术由于底部中央有大暴露焊盘被焊接到 PCB 的散热焊盘上，使得 QFN 具有极佳的电和热性能；无引脚焊盘设计使其占有更小的 PCB 面 积；非常低的阻抗、自感可满足高速或者微波的应用。基于以上 QFN 的封装特点其可制造 性及可靠性的要求也越来越高，特别是 QFN 元件在用于 PWM 控制线路时因其焊盘设计的 独特性，焊接的难点主要出现在 Vin、SW、PGnd 相互短路的问题上。为了提高其可制造良 率，结合 QFN 的封装结构特点，提升整机的焊接良率及 OATL.
二、引言：
因 QFN 芯片封装结构的特殊性，如何在大规模生产中提升 QFN 的焊接良率是每个工 艺工程师及企业所追求的目标，这要从整个产品的制造工艺流程去探索，实验，通过实验数 据改善整机的焊接良率.
三、QFN 接地失效案例分析：
  1. QFN 簡介：

    QFN（Quad Flat No-lead Package）是一种无引脚封装，呈方形或矩形，封装底部中央位 置有一个大面积裸露的焊盘，具有导热的作用，在大焊盘的封装外围有实现电气边接导电焊 盘。其内部引脚与焊盘之间的导电路径短，自感系数以及封装体内布线电阻很低，所以，它 能提供卓越的电性能。此外，它还能过外露的引线框架焊盘提供了出色的散热性能，该焊盘 具有直接散热的通道，用于释放封装内的热量；是一种焊盘尺寸小、体积小、以塑料作为密 封材料的新兴的表面贴装芯片封装技术。
    QFN 通常散热焊盘焊接在电路板上，并且 PCB 中 的散热过孔有助于将多余的功耗散到铜接地板中，从而吸收多余的热量。图 1 所示是这种采 用 PCB 焊接的外露散热焊盘的 QFN 封装。由于体积小、重量轻，加上杰出的电性能和热性 能，这种封装特别适合任何一个对尺寸、重量和性能都有高要求的应用。


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  2. QFN 的焊接难点

    针对无引脚底部有较大散热焊盘的 QFN 元件的焊接，无论是设备的贴附参数还是 Stencil 的厚度及回流参数的设定都有着巨大的挑战；对于大功率的 PWM 控制 QFN 元件其 Gnd 焊 盘的焊接性需要达到客户的需求标准对于 Stencil 的开孔方式及厚度、锡膏的颗料规格存在 微妙的关系。目前大功率的 PWM 控制 QFN 元件所面临的焊锡难点就是小 pitch 无引脚 PAD 的焊接连锡问题、较大散热焊盘虚焊、少锡及溢锡不良。
  3. 案例解析：
    1）Stencil 的开孔形状及厚度的选择决定了产品的良率及可靠性。下面从我司遇到的案例进 行介绍，以某服务器电源产品 IR3841MTRPbF QFN package 为例：失效模式：该产品设计的设计为 Vin,SW,PGnd 散热焊盘，要求散热性及导电性良好，在 Reflow 制程中存在 Vin,SW,PGnd 散热焊盘溢锡导致短路不良。
    2）为了控索以上失效模式，我 司从 Stencil 的两个方面进行验证：
    3.1 制程条件及工艺参数：
    3.1.1 焊接材料为锡银铜合金 SAC387 无铅锡膏，焊锡粉规格为：
    Type3.
    3.1.2 焊接材料印刷设备（松下 SP 28P-DH）参数：锡印速度：85mm/s,锡印压力：28N, 脱膜速度：0.3mm/s,脱膜距离：3.0mm,实测锡膏厚度范围：0.15mm~0.17mm，刮刀材质：钢 材。
    3.2 方案一：
    根据 IC 厂商方案以元件引脚 PAD 尺寸为开孔标准，散热焊盘外围内切 0.15mm。
    1）元件基本信息：Vin,SW,PGnd 散热焊盘间距：0.25~0.30mm,如图 2：
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    2）Stencil 的开孔与原文件对比如图 3：


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    3）散热焊盘模板开孔尺寸比例在 80%以上，引脚 PAD 采用倒圆角的方式，Stencil 的开孔 面积比>0.66,宽深比>1.66 符合 IPC-7525A 标准。
    4）验证结果：根据以上以 IC 厂商方案以元件引脚 PAD 尺寸为开孔标准的方案不可行，回 流后 Vin,SW,PGnd 散热焊盘存在上锡不足焊接材料覆盖面积小于 75%，引脚位置又存在溢 锡形成锡珠现象不符合客户需求。
    3.3 方案二：
    将 Stencil 上 SW 散热焊盘与相邻的 PAD 边内切 0.1mm,引脚 PAD 长度外延 0.15mm，其他信息与方案一一致，如图 4：


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    验证结果：使用方案二的开口方式其焊接品质及电性功能完全满足客户需求。


  4. 总结：


    1）经过多次的实验验证，我公司已积累了服务器电源行业 QFN 元件焊接的部分经验。QFN 元件良好的焊接需要基于焊接材料堆积的高度及 Stencil 的开孔形状的基础上，焊接材料的 覆盖面积在80%~85%之间会形成良好的焊点，润湿面积及电性导通功能也可达到客户的需 求，也可以避免溢锡而导致短路的产生。
    2）QFN 元件的外露引脚大部份都是与散热焊盘是一个整体，所以在 Stencil 开孔时网状孔一 般不建议，可按元件 PAD 尺寸开通孔，因为网状孔在回流润湿过程中引脚 PAD 上焊料会被 拉至向中间散热焊盘位置，外露引脚 PAD 会出现少锡现象。
    3）QFN 元件的各散热焊盘之间 Stencil 开孔的方式需保证其安全距离在 3.5mm 以上。

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